本节书摘来自异步社区《Network Warrior中文版（第2版）——思科网络工程师必备手册》一书中的第2章，第2.2节，作者【美】Gary A. Donahue，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
Network Warrior中文版（第2版）——思科网络工程师必备手册在以太网设备的发展历程中，HUB过后就到了交换机。交换机有别于HUB，因为交换机可“主动”转发数据帧。读者不应忘记，HUB只能对接收自任意接口的数据帧进行简单的复制，然后再从所有其他接口发送出去。交换机则不然，交换机不但会“跟踪”端口所连设备，而且只会将数据帧转发给欲接收它的主机。
注意
人们在谈论HUB、网桥和交换机时，总会把TCP/IP领域中名为数据包的东西叫做帧。从技术上讲，数据包和数据帧是两码事，因为TCP数据包经过第2层信息封装之后，才能形成数据帧。然而，网络工程师们在交流时，对术语“数据包”和“数据帧”往往会不加区分（抱歉的很，笔者也分得不是很清）。为求精确表述，在介绍HUB和交换机时，笔者只使用术语“数据帧”。当其他竞争对手都开始研发交换机时，Cisco则将其所有精力投入于研发路由器，因此，在交换产品方面，Cisco公司那时还不是其他公司的对手。但当时，Cisco做出了一个非常明智的决定——收购了新交换机公司中的翘楚（比如，Kalpana公司），并将收购而来的交换产品并入了自己的产品线。其结果也导致了Cisco公司的交换机和路由器的操作系统不一致——Cisco路由器用IOS操作系统，而Cisco交换机则用CatOS操作系统，有时甚至还要用菜单界面来配置（Cisco将交换机产品线命名为“Catalyst”，因此Catalyst操作系统就是指CatOS）。
插一个与术语有关的话题：即便在网络领域，术语“交换”和“交换机”都不止一重涵义。单是交换机便有以太网交换机、帧中继交换机、三层交换机以及多层交换机之分。以下是对一些常用术语的解释。
交换机（switch）
这一通用术语是指任何可用来执行“交换”功能的设备，与“交换物”以及所涉领域无关。在网络领域，交换机一般都指以太网交换机。在电信领域，可称为交换机的设备实在太多，但与本章所讨论的内容无关。
以太网交换机
是指在以太网中，可根据第二层MAC地址来转发帧的任何设备。HUB会将所有帧复制给所有端口，而以太网交换机只会将帧转发至其应该外发的端口。以太网交换机上的每个端口都是一个冲突域，而HUB上的所有端口都隶属于同一个冲突域。
三层交换机
即具备路由功能的交换机。一般而言，在三层交换机上，可针对二层VLAN配置三层虚拟接口。如今，纯三层交换机已不多见，市面上在售的大多数交换机都是多层交换机。
多层交换机
不但具备三层交换机的功能，还可根据高层协议来控制数据包的转发1。多层交换机可根据TCP或UDP端口号，甚至数据包净荷内所含的信息来控制数据包的转发。
交换（switching）
在以太网技术领域，交换是指根据帧的目的MAC地址转发帧的行为。在电信领域，交换则是在通话双方间建立一条连接的行为。在路由选择领域，交换则又是指在一台路由器上的2个接口之间转发数据包的过程。
交换机与HUB之间最根本的区别在于：交换机不会像HUB那样，将接收自某端口的信号再从所有其他端口复制并转发出去。现代化的交换机支持种类繁多的高级特性，这使得“交换机”这一称谓，更为实至名归。
对于图2-7所示的交换机，其端口4和端口6之间以及端口1和端口7之间各有一条路径。如此一来，数据帧便可同时沿着这两条路径传输，从而大大提高了人们对网络的感知速度。每次发送数据帧时，交换机都会创建一条从源端口到目的端口的专用路径，而交换机上的其他端口则“袖手旁观”。
那么，在网络中，对于由不同工作站所传送的帧应发往何处，交换机是如何做出转发决策的呢？每个以太网帧都包含了源和目的MAC地址。交换机通过对帧的解析（只需解析帧头），来确定源MAC地址，若其在自己的MAC地址表中不存在，则将其添加进表。在CatOS交换机上，此表称为内容可寻址内存表（或CAM表），而在IOS交换机上，则称其为MAC地址表。该表包含了发现MAC地址的交换机端口与该MAC地址之间的映射关系。然后，交换机会确定帧的目的MAC地址，并从该表中查找与之相匹配的表项。若发现匹配，交换机便创建一条从源端口到相应目的端口的路径。若否，交换机则将帧向自己的所有端口外发。
IP工作站要想将数据包发送至同一网络中的另一IP地址，需首先知晓目的IP地址的MAC地址。为此，IP工作站会发送地址解析协议（ARP）请求数据包。此类数据包属于广播包，因此，交换机会将其从所有端口外发。该ARP请求数据包被以太网帧头封装之后，帧头内势必包含发送ARP请求的工作站的MAC地址，交换机可借此来确定与该ARP请求帧中的源MAC地址相对应的端口。一旦目的站点回以ARP应答数据包:“本机配置了你所请求的IP地址”，交换机便会知晓自己的哪个端口连接了目的站点（ARP应答数据包中包含了发送ARP应答工作站[目的工作站]的MAC地址）。
在运行IOS的交换机上，执行show mac-address-table命令，便会显示出MAC地址及其端口对应表。要是交换机的一个端口学到了多个MAC地址，则往往表示该端口连接了另一台交换机或网络设备。
由以上输出可知，若MAC地址为0013.baeb.01e0的设备欲与0013.baea.7ea0的设备通信，交换机便会在Gi4/29和Gi7/8之间建立一条连接。
注意
读者可能已经注意到，在正文中写全了show命令，而在交换机上执行命令时，输入的则是show命令的缩写sho。Cisco设备支持对命令的缩写，前提是命令的缩写形式不能与其他命令冲突。要弄清交换机的哪个端口连接了某台特定主机，请读者看仔细了。首先，要知晓待查主机的MAC地址。下面以一台Solaris主机为例。
然后，以该主机的MAC地址（如最后一行所示）替代IOS命令show mac-address-table | include mac-address中的mac-address，并执行该命令。
注意
读者应熟知MAC地址的格式。不同的操作系统会以不同的方式显示MAC地址。读者需将MAC地址转换为与IOS或CatOS兼容的格式。IOS中显示MAC地址的方式为：两字节为一组，组间用“.”隔开。Solaris以及其他大多数操作系统的显示方式则为：字节间用“:”或“-”隔开（CatOS在显示十六进制的MAC地址时，使用“-”作为字节间的分隔符）。某些操作系统可能会以十进制来显示MAC地址，而大多数操作系统都使用十六进制来显示。由以上输出可知，端口Gi3/22正是连接Solaris主机的端口。
NX-OS命令与IOS相同，只是输出中的Nexus交换机接口的硬件名称有了变化，其意在反映出Nexus交换机端口的硬件信息（以下show mac-address-table命令的输出来自一台激活了FEX特性，并连接了2148T Extender（chassis_ID为100）的Nexus 5010交换机。
在运行CatOS的交换机上，显示MAC地址表内容的命令则略有不同，show cam命令包含了一个选项，可利用该选项来显示指定MAC地址的信息。
Cisco交换机分为两种：固定配置交换机和模块化交换机。固定配置交换机的体积较小——只需占用1个机架单元（1RU）。此类交换机一般只配备以太网端口，适用于大型交换机“无用武之地”的场合。
Cisco 2950、3550以及3750交换机都属于固定配置交换机。3750交换机还具备堆叠功能。堆叠是一种“粘合”多台物理交换机，以构成一台逻辑交换机的手段。当所需端口数超过单台固定配置交换机的最多可用端口数（48个端口）时，堆叠就有了“用武之地”。堆叠技术并非“完美无缺”：堆叠过后的交换机背板总容量限制在了32或64 Gbit/s。相比较而言，某些机箱式模块化交换机的背板容量可达720Gbit/s。当然，这样的大型模块化交换机在价格方面也要昂贵得多。
固定配置交换机的优点如下所示。
价格
固定配置交换机往往比模块化交换机便宜得多。
空间占用
固定配置交换机一般只会占用1个机架单元（1RU）的空间。可将其安装在配线间或某些安装不下机箱式交换机的场所。两台固定配置交换机即便堆叠在一起，所占空间仍要小于最小的机箱式交换机。
重量
哪怕与最小的机箱式交换机相比，固定配置交换机的重量也会轻很多。大多数机箱式交换机至少需要两人才能完成安装、上架工作。
功率
固定配置交换机使用市电（民用电）即可正常运转，因此，此类交换机可安装于任何一个地方。大型机箱式交换机插满模块之后，需用专用电源和专用交流电插座。此外，有许多机箱式交换机还要求用直流供电。
话又说回来，与固定配置交换机相比，大型Cisco机箱式模块化交换机也具备以下优点。
扩展性
大型机箱式交换机可支持数百个以太网端口，而且这种基于机箱式的架构可以很方便地升级处理器模块（supervisor）。当6500机箱配备了supervisor（sup720）时，可提供720Gbit/s的背板速度。要获得不少于6500交换机的端口数，需堆叠多达7台3750，但请别忘记，经过堆叠的交换机背板速度只有区区32Gbit/s。
灵活性
Cisco 6500机箱可插入特殊用途的模块，以提供普通交换机所不能提供的服务。这些特殊用途的模块如下所示。
防火墙服务模块（FWSM）入侵检测系统模块（IDSM）应用控制引擎（ACE）模块网络分析模块（NAM）WAN模块（FlexWAN）冗余
某些型号的固定配置交换机支持分布式供电方式，以“多花钱”来提供冗余电源。而全款Cisco机箱式交换机都支持多电源供电（老式的4000系列机箱式交换机实际上需要3个电源模块来提供冗余，若要提供对VoIP（PoE）的支持，还需安装更多的电源模块）。大多数机箱式交换机都支持双supervisor。
速度
配备了supervisor-720（sup 720）的Cisco 6500交换机可支持高达720Gbit/s的背板吞吐量。在固定配置交换机中，背板吞吐量最高的Cisco 4948交换机，也只有48Gbit/s。Cisco推出4948交换机的目的是要互连机架内的服务器，此类交换机往往都安装在服务器机架的架顶。由于此款交换机“专款专用”，故而不支持堆叠，其端口数受限于48个。
机箱式交换机的缺点包括：沉重异常、体积大、功耗高。若确实需要机箱式交换机的强大功能和灵活性，那么恐怕就不得不将上述缺点视为提供功能的代价。
Cisco主要生产两种机箱式交换机：4500系列和6500系列。当然，Cisco也曾生产过8500系列，但此类交换机在企业网环境中早已难觅其踪了。
很难说Nexus交换机是属于固定配置还是模块化交换机，要视其型号而定。Nexus 7000机箱式交换机分10槽和18槽机箱两种。这几种型号的Nexus交换机具有其他任何一款机箱式交换机的所有优缺点。写作本书之际，Nexus交换机还不支持那么多服务模块。据传，随着Nexus产品线的不断完善，对服务模块的支持会有所改观。
Nexus 5000自带一个（5100）或两个（5200）扩展槽位，可连接fabric extenders（FEX），以方便扩展。FEX虽以物理交换机的面目示人，但实际上只是连接到Nexus 5000的模块。由Nexus 2000“交换机”行使FEX之职（作为Nexus 5000的模块）。单台（或一对）Nexus 5000交换机在连接了多达12个48端口的FEX之后，则更像是一台12槽的机箱式交换机，而非固定配置的交换机了。有关Nexus交换机可扩展性的问题，将在Nexus交换机硬件相关章节中展开深入探讨。
与安装小型交换机相比，安装机箱式交换机更需“精打细算”。配置机箱式交换机时，需考虑诸多要素。首先，必须选择所使用的交换机模块（有时也称其为刀片[blade]）；然后，应确定所需电源模块的型号。还需虑及机箱所用电源是交流还是直流，以及电源模块所需的电流（安培）数。此外，机箱式交换机体积较大，笨重异常，因此，需确保为其预留足够的机架空间。制定机箱式交换机安装规划时，需考虑下列因素。
1．机架空间机箱式交换机外形硕大。6513交换机需占用19 RU的机架空间。NEBS版本的6509则会占用21 RU。一座7英尺的电信机架有40个RU，因此，大型交换机会占用机架可用空间的大半壁江山。
注意
为Nexus交换机规划机架空间时请务必小心。Nexus 5000交换机的厚度不亚于机架式服务器，安装时，需利用机架挡板的全长。双柱式电信标准机架是安装不下Nexus 5000交换机的。大型机箱式交换机沉重异常，应尽可能地将其安装在机架底部。小型机箱式交换机（例如，Cisco 4506交换机[最多会占用10RU]）才可安装在机架的较高位置。
注意
给沉重的机箱式交换机上架时，至少需要两人。通常，还需第三者从旁将交换机引导进机架。只有将交换机上的所有模块和电源拔除之后，方可搬运机箱。2．功率安装在交换机上的每块模块都会消耗一定的功率（单位为瓦特）。在确定了交换机所需安装的模块之后，则应统计出全部模块所需的总功率。由统计结果来决定应订购的电源模块型号。为提供冗余供电，双电源模块中的任意一个都应能满足整台交换机（外加所有模块）的供电需求。若交换机机箱及模块的总耗电功率为3200W，要想实现供电冗余，便需订购2个4000W的电源模块。当然，订购2个3000W的电源模块也不是不行，但两者须同时“给力”，才能为所有模块供电。只要其中一个电源模块故障，交换机内的某些模块就会掉电（shutdown）。
取决于交换机所安装的位置，需保证电源模块能够接上交流或直流电源。选择直流（DC）供电时，应确保双路供电。试举一例，若网络工程师需要为交换机接40安培的DC电源，应告诉电工：“我需要接40安培的直流电，双路供电。”这就是说，为满足高可用性的需求，该网络工程师对交换机实施了双路供电。与交换机电源接地的有关信息，请参阅Cisco文档。大多数托管机房（collocation facility）都提供正向接地的DC电源。
若选择交流（AC）供电，则需指明电压数、安培数以及各条电源线所接的插座制式。一般而言，每个电源模块都是单路供电，但也有某些电源模块需要双路或多路供电。网络工程师应掌握一些与插头和插座有关的电器方面的基本知识。电源模块随箱文档自然会载明上述所有一切，从Cisco Web站点上也能搜到相应文档。再来举个例子，某些随电源模块装箱的电源线的插头制式为NEMA L6-20P，这便需要购买NEMA L6-20R制式的插座。部件编号末尾的“R”或“P”所指为该部件是插头（plug）还是插座（receptacle）（NEMA L6-20是指250V/16A的AC扭锁连接器[twist-lock 250-volt AC 16-amp connector]）。
电力线会通过大的矩形连接器连接到电源模块。电源线插头则会插入电源模块上的插孔，然后还得用夹子固定。请务必将夹子夹紧，以免电源线受压从插孔里弹出。
3．散热（cooling）许多机箱式交换机都是两边散热：交换机从一侧吸入空气，让空气吹拂模块，再将热气从另一侧排出。通常，安装交换机的机架都具有良好的通风性。可是，若打算将机箱式交换机安装在小型机柜内，就必须考虑通风问题。电缆（网线、光纤）往往都会在交换机侧面绕来绕去，若电缆太密，便会阻断气流。
兼容NEBS的6509交换机采用垂直散热方式，其模块都被垂直插入机箱。对于此类交换机，在机箱的正面可一览无余地看见散热孔。请务必保持这些散热孔畅通。所有Nexus交换机的散热方式都是从前到后3，这是为了更好地适应数据中心机房的冷/热风通道（hot-/cold-aisle）布局设计。安装Nexus交换机时，请务必小心。有人喜欢将（交换机的）以太网端口面朝机架正面，给Nexus交换机上架时，可千万别这么干，因为这会导致流入机架的气流与交换机的散热方向相反。
注意
笔者曾参与过一个项目，该项目需要让6台6506交换机上线运行。笔者率团队先将那6台交换机拖出包装箱，然后再在集装架上一字排开。我们都未曾料想，从一台交换机里排出的热气全被吹入了相邻交换机。第一台交换机吸入的空气，由下一台交换机排出时，已是热浪滚滚，最终导致了最边上的一台交换机宕机。安装机箱式交换机时，请务必在交换机之间预留足够的空间。4．插拔模块机箱式交换机模块都需插入交换机插槽两侧的小卡槽内，才能固定。安装模块时，切勿鲁莽行事，应对准卡槽。卡槽与模块很容易错位，要是不小心卡住模块那可就麻烦了。多款交换机模块——尤其是FWSM、IDSM以及ACE等服务模块，其背面都密密麻麻地布满了元器件。笔者曾亲眼见过不少工程师因没有对准卡槽，强行插入，而毁掉了价值4万美元的模块。此外，读者还应牢记：插拔模块时，请务必佩戴防静电护腕。
注意
无论何时，只要与机箱或模块有肢体上的接触，就应该佩戴防静电护腕。防静电护腕不但使用简单，而且近年来几乎所有设备都随机附带。笔者也知道这玩意戴起来会有损网络工程师“潮男”的形象，但想象一下毁掉价值40万美元的交换机的后果吧。5．电缆走线在安装进交换机的模块旁布放（以太网）电缆时，请务必为日后拔插模块留有后手。要想理顺模块边上的48根以太网电缆，可是一项技术活儿。此外，还应保证电缆的松弛度，好方便日后拔掉电缆，抽出模块。这样一来，模块出故障时，只需轻松将连接到模块上的电缆拔到一旁，更换模块，再将所有电缆插回新模块上正确的端口即可。
古语云：工欲善其事，必先利其器，安装交换机自然也不例外。
1译者注：原文是“Similar to a Layer-3 switch, but may also allow for control based on higher layers in packets”。2译者注：原文是“A switch forwards frames only to the ports that need to receive them”，直译为“交换机只会把帧转发至需要接受它的端口”。作者明明在说帧在交换机内的转发过程啊，请读者仔细想想，原文是不是有违常识。因此，译文酌改。3译者注：在本书第18章，作者却说Nexus7018交换机为两边散热。
相关资源：Network Warrior中文版 思科网络工程师必备手册 第2版